2.1 Generador de gotas: Propiedades termofísicas extremas y modelado

El generador de gotas es un componente importante del conjunto del escáner EUVL (Figura 3). El generador de gotas controla el tamaño, la velocidad y la tasa de repetición del material que ingresa a la cámara fuente de EUV, ionizado por un láser de dióxido de carbono, para generar luz EUV a 13.5 nm. Por lo tanto, la generación confiable de gotas es esencial para la producción de luz EUV, ya que cualquier mal funcionamiento resultaría en el apagado de todos los componentes posteriores. El diámetro típico de la gota es de 27 μm, con una velocidad de 80 m/s y una frecuencia de repetición de 50 kHz. El generador de gotas desencadena la emisión de pulsos láser de dióxido de carbono, lo que le valió el título de "latido" de todo el conjunto del escáner EUV.

El estaño es el líquido de trabajo utilizado en el generador de gotas para aplicaciones EUVL, ya que genera luz a una longitud de onda de 13.5 nanómetros cuando se ioniza en estado de plasma. Durante las últimas décadas, los investigadores han explorado las posibilidades de materiales distintos del estaño, como el gas xenón y el litio. Factores como la seguridad, el costo y el rendimiento han demostrado que el estaño es el material superior para el plasma producido por láser en aplicaciones de fabricación EUVL. En la fabricación de semiconductores, no existe una hoja de ruta común para materiales distintos del estaño, por lo que invertir en la comprensión de este material a un nivel científico fundamental tendrá implicaciones a corto y largo plazo. El enfoque de la industria en un solo material, el estaño, lo convierte en una opción ideal para la compleja interacción láser-material necesaria para la generación de luz EUV.

El principio de funcionamiento del generador de gotas implica cargar estaño sólido de alta pureza (>99.999% en peso) en un recipiente y calentarlo por encima de su punto de fusión (~232°C). Luego, se aplica gas de alta pureza, generalmente nitrógeno, en un lado del líquido dentro del recipiente para ejercer presión, permitiendo que el estaño fundido fluya a través de un filtro hasta la boquilla del otro lado. La expulsión de gotas de estaño suele estar regulada por cristales piezoeléctricos (PZT), que generan vibraciones mecánicas. En la Figura 3 se muestra una fotografía de un concepto de generador de gotas de primera generación, con una estabilidad de la posición de las gotas de aproximadamente 1 μm.

El generador de gotas logró nuevos avances en 2021 con su capacidad de reabastecimiento en línea. La Figura 4 muestra una reducción en el tiempo de inactividad del sistema sin interrumpir el rendimiento de los escáneres EUV posteriores. Con este nuevo diseño de generador de gotas, se ha logrado un funcionamiento continuo durante más de 3000 horas.

Para aumentar la productividad y lograr una mayor potencia de salida de EUV, es necesario aumentar la potencia del láser de conducción, lo que da como resultado un mayor número de gotas por segundo. Para aumentar aún más la frecuencia de las gotas, es necesario aumentar la presión en el generador de gotas. Sin embargo, esto daría como resultado una mayor separación entre las gotas. Este concepto se ilustra en la Figura 5.

Actualmente, bajo presión atmosférica, los metales fundidos carecen de propiedades materiales fiables. La falta de estos datos estándar obstaculiza el progreso en las simulaciones numéricas para la creación de generadores de gotas. La práctica descrita por científicos e ingenieros implica buscar las propiedades más recientes de los materiales en la literatura publicada e inferir estimaciones aproximadas. Luego se basan en observaciones empíricas de todo el sistema en condiciones operativas para ajustar la relación entre las propiedades del material y los parámetros operativos. Un presentador de la industria dio un ejemplo que ilustra la necesidad de un diseño equilibrado en el cabezal de impresión para garantizar que el fluido de trabajo (metal fundido) esté a una temperatura suficientemente alta para estar en la fase líquida, pero no demasiado alta para fundir el elemento piezoeléctrico.

Se introdujo el recurso actual del NIST para medir las propiedades de los materiales metálicos, centrándose en la base de datos de aleaciones del NIST, que es una base de datos seleccionada que contiene propiedades termofísicas de los metales (incluido el estaño). Actualmente, toda la base de datos es gratuita y está abierta al público gracias a la financiación de la Iniciativa del Genoma de Materiales (MGI) y a la supervisión del Centro de Investigación de Termodinámica (TRC). Para continuar con el desarrollo, la base de datos se puede convertir a SRD para mantenerla de acuerdo con la Ley de Datos de Referencia Estándar de EE. UU. de 2017. La capacidad de proporcionar datos de propiedades de materiales justos y validados profesionalmente para la industria estadounidense puede ofrecer ideas de diseño eficientes e innovaciones en el funcionamiento de generadores de gotas. Las ventajas del SRD en el rendimiento de los materiales han sido reconocidas internacionalmente, como se muestra en una publicación sobre el SRD en el campo de las propiedades de los materiales.

Una limitación a la efectividad de las capacidades de medición del NIST es la falta de datos sobre estaño fundido bajo alta presión aplicable a los generadores de gotas EUVL. Las características del fluido de trabajo en un generador de gotas determinan un fenómeno llamado ruptura de Rayleigh, que conduce a la formación y fusión de gotas. Este fenómeno ha sido ampliamente investigado durante los últimos 40 años, con estudios realizados por instituciones como ETH Zurich en 2011 que demuestran la relación entre el diámetro y la velocidad de las gotas de estaño fundido a presiones inferiores a 4 MPa y frecuencias inferiores a 100 kHz. Un artículo reciente publicado en 2023 muestra el avance positivo en este campo de investigación.

La falta de datos de referencia sobre el estaño fundido hace que sea valioso medir los datos de calidad de referencia para llenar bases de datos como la base de datos de aleaciones del NIST con nuevas instrumentaciones. La velocidad del sonido (SoS) es una propiedad material particularmente útil ya que se puede combinar con datos de densidad y capacidad calorífica isobárica en un solo punto (T, p) para obtener propiedades termofísicas adicionales como densidad, expansividad isobárica y capacidad calorífica isobárica en cualquier temperatura y presión. Los investigadores del NIST ya han demostrado los valores de SoS medidos para materiales refrigerantes. Las mediciones precisas de SoS son cruciales para lograr el objetivo final de modelar las propiedades termodinámicas de los materiales mediante ecuaciones de estado (EoS). Se ha demostrado que el uso de diferentes EoS en la precisión de la simulación afecta significativamente incluso a la geometría más simple.

Continuará...